Kuantum interneti gerçekleştirmek, dünyadaki bir çok ülke için çok önemli bir hedeftir, böyle bir atılım onlara gelecek vaadeden yıkıcı bir teknoloji ile rekabet avantajı sağlayacak ve sınırsız olasılıklar ve yenilikler dünyasının kapılarını açacaktır.

Yakın zamanda ABD Enerji Bakanlığı (DoE), kuantum internet rüyasını gerçeğe dönüştürmek için adım adım bir strateji ortaya koyan bir tür plan yayınladı. Ana hedef veri iletiminde herhangi bir siber saldırıya karşı dayanıklı hale gelmek olarak belirlenmiş. ABD Enerji Bakanlığı, “kuantum internet tüm yaşam tarzımızı değiştirecek” diyor. Projeyi hayata geçirmek üzere 5 yıl için federal fondan yaklaşık 625 Milyon $ para tahsis edilmiş.

Kuantum internet, ışık hızını aşan bir hızda uzak mesafelere büyük miktarda veri iletebilecektir, bu hızdan yararlanabilecek tüm uygulamaları hayal etmek bile zordur günümüzde.

Geleneksel bilgisayar verisi sıfır(0) ya da bir(1) olarak kodlanmaktadır. Kuantum bilgisi hem sıfırlarda ve hem de birlerde aynı anda üst üste bindirilir. Akademisyenler, araştırmacılar ve BT profesyonellerinin, kuantum yönlendiricileri (router), tekrarlayıcıları (repeater), şebeke geçitleri (gateway), aktarma merkezleri (hub), ve diğer kuantum cihazları dahil kuantum internetin altyapısı için çok sayıda donanım oluşturmaları gerekecektir. Normal internetteki mevcut şirket ekosistemimize paralel olarak kuantum internetin var olduğu fikrinden yola çıkarak yepyeni bir endüstri doğacaktır.

Normal internet olarak isimlendirdiğimiz mevcut geleneksel internet, var olmaya devam edecek. Büyük kuruluşların veri koruması için kuantum internete güvenmesi yanısıra, bireysel tüketicilerin de klasik interneti kullanmaya devam edeceği tahmin edilmektedir.

Uzmanlara göre özellikle finans sektörü çevrim-içi işlemlerde güvenlik açısından kuantum internetten yararlanacaktır. Sağlık ve kamu sektörleri de ayrıca güvenlik amaçlı olarak kuantum interneti kullanacaklardır. Kuantum bilişim, daha hızlı ve daha güvenli bir internet deneyimi sağlamanın yanı sıra, tedarik zinciri yönetimi gibi karmaşık sorunları çözmek için kuruluşları daha iyi konumlandıracaktır. Ayrıca, kuantum internet büyük miktarda veri alışverişini hızlandıracak ve astronomi, malzeme keşfi ve yaşam bilimlerinde büyük ölçekli algılama deneyimleri gerçekleştirecektir.

Kuantum bilişim kuantum teorisi prensiplerine dayalı bilgisayar teknolojisini geliştirmek üzerine odaklı çalışma alanıdır. Kuantum fiziği yasalarını kullanan kuantum bilgisayarı, birden fazla durumda bulunma ve tüm olası permütasyonları aynı anda kullanarak görevleri yerine getirme yeteneği sayesinde muazzam bir işlem gücüne sahip olacaktır.

Klasik ve Kuantum Hesaplama Mukayesesi

Klasik hesaplama (computing), en üst düzeyde, mantıksal cebir (boole cebir) adı verilen matematiğin alt dalı tarafından ifade edilen ilkelere dayanır. Veri, zaman veya bit cinsinden herhangi bir noktada özel bir ikili durumda işlenmelidir. Her bir transistör veya kapasitörün anahtarlama durumlarından önce 0 veya 1'de olması gereken süre artık saniyenin milyarda biri olarak ölçülebilirken, bu cihazların durum değiştirmeye ne kadar hızlı geçiş yapabilecekleri konusunda hala bir sınır vardır. Daha küçük ve daha hızlı devrelere doğru ilerledikçe, malzemelerin fiziksel sınırlarına ve klasik fizik yasalarının uygulanabileceği eşiğe ulaşmaya başlarız, işte bunun ötesinde, kuantum dünyası devreye girer.

Bir kuantum bilgisayarında, elektronlar veya fotonlar gibi bir dizi temel parçacık, yükleri veya polarizasyonları 0 ve/veya 1'in bir temsili olarak hareket ederek kullanılabilir. Bu parçacıkların her biri kuantum biti veya kübit olarak bilinir, bu parçacıkların doğası ve davranışı kuantum hesaplamanın temelini oluşturur.

Kuantum Süperpozisyonu ve Dolanıklık

Kuantum fiziğinin temel olarak iki önemli prensibi vardır; süperpozisyon (üst üste bindirme) ve dolanıklık.

• Süperpozisyon: Bir kübiti bir magnetik alanda bir elektron olarak düşünün. Elektronun spini, (spin, temel parçacıklar tarafından taşınan açısal momentumun içsel bir şeklidir) dönme durumu olarak bilinen alanla aynı hizada olabilir veya dönme durumu olarak bilinen alanın tersi de olabilir. Kuantum yasasına göre, parçacık, her iki durumda da aynı anda varmış gibi davrandığı bir duruma yani süperpozisyonuna girer. Kullanılan her kübit, hem 0 hem de 1'in bir süperpozisyonu durumunu alabilir.
• Dolanıklık: Belli bir noktada etkileşime giren parçacıklar bir tür bağlantıyı sürdürür ve korelasyon olarak bilinen bir süreçte birbirleriyle çiftler halinde dolanabilirler. Dolanık bir parçacığın spin durumunu (yukarı veya aşağı) bilmek, diğer çiftin dönüşünün ters yönde olduğunu bilmesini sağlar. Kuantum dolanıklığı, birbirinden inanılmaz mesafelerle ayrılan kübitlerin birbirleriyle anında etkileşime girmesine izin verir (ışık hızıyla sınırlı değildir). İlişkili parçacıklar arasındaki mesafe ne kadar büyük olursa olsun, izole oldukları sürece dolanık kalacaklardır.

Birlikte ele alındığında, kuantum süperpozisyonu ve dolanıklık, son derece gelişmiş bir hesaplama gücü yaratır. Sıradan bir bilgisayardaki 2 bitlik bir kaydedici herhangi bir zamanda dört ikili konfigürasyondan (00, 01, 10 veya 11) yalnızca birini saklayabilirken, bir kuantum bilgisayardaki 2 kübitlik bir kayıt dört sayıyı aynı anda saklayabilir, çünkü her kübit iki değeri temsil eder. Daha fazla kübit eklenirse, artan kapasite üssel olarak genişletilir.

Kuantum İnternet

Kuantum internet, kuantum mekaniğinin tuhaf yasalarından yararlanan bir ortam içinde bazı bilgi değişimine imkan sağlayan kuantum cihazlarından oluşan bir şebekedir. Teoride bu, kuantum internete, günümüzün web uygulamalarıyla gerçekleştirilmesi imkansız olan eşi görülmemiş yetenekler kazandıracaktır.

Kuantum dünyasında, veri kübitler halinde kodlanabilir, bu kübitler bir kuantum işlemcisi ya da bir kuantum bilgisayarı gibi kuantum cihazlarında yaratılır. Ve kuantum internet, basit bir ifade ile, fiziksel olarak ayrık olan çoklu kuantum cihazları şebekesi aracılığıyla kübitleri göndermeyi içerir. En önemlisi, tüm bunlar, kuantum durumlarına özgü garip özellikler sayesinde gerçekleşmektedir.

İfade belki standart internete benzer gelebilir. Ancak kübitleri klasik bir kanal yerine bir kuantum kanalı aracılığıyla göndermek, etkin bir şekilde, parçacıkların en küçük ölçeklerinde alındığında, yani "kuantum durumları" olarak adlandırılan davranışlarından yararlanmak anlamına gelir.

Beklenildiği gibi, kübitler e-mail ve WhatsApp mesajları gibi bildiğimiz veri türlerini göndermede kullanılamaz. Fakat kübitlerin garip davranışı, çok daha zengin diğer devasa uygulama imkanlarını sağlayabilir.

Kuantum İletişimi

Kübitlerle ilgili olarak araştırmacıların keşfettiği en heyecan verici yollardan biri iletişim güvenliğidir. Kuantum güvenliği, mesajların göndericisi veya alıcısı hakkında bilgi sahibi olmadan bilgiyi riske etmeye karşı tamamen güvenli bir şifreleme sistemi geliştirmek için fiziği kullanan kuantum kriptografisi kavramıdır. Esasen, kuantum kriptografisi, çözülemez bir şifreleme sistemi geliştirmek için ayrı parçacıkların/ışık dalgalarının (foton) ve bunların yapısal kuantum özelliklerinin kullanımına dayanır (çünkü herhangi bir sistemin kuantum durumunu o sistemi bozmadan ölçmek imkansızdır).

Kuantum kriptografisi bir anahtar göndermek için fotonları kullanır. Anahtar gönderildiğinde, normal gizli anahtar yöntemi kullanılarak kodlama ve kod-çözme gerçekleştirilebilir. Fakat bir foton nasıl bir anahtar olabilir? Fotonun spinine nasıl bilgi eklenir?

Bu aşamada ikili kod devreye girer. Bir foton spininin her türü, bir bilgi parçasını temsil eder- ikili kod için genellikle bu 1 veya 0’dır. Bu kod, tutarlı bir mesaj oluşturmak için 1'ler ve 0'lardan oluşan dizeleri kullanır. Örneğin, 11100100110 h-e-l-l-o'ya karşılık gelebilir. Böylece her fotona bir ikili kod tanımlanabilir- mesela, dikey spin’e sahip olan bir fotona 1 atanabilir.

Normal, kuantum şifrelemesi olmadan yapılan klasik haberleşme şifre yöntemleri geniş anlamda bilinmektedir. Ancak bu şifreleri kırmak günümüzde çok da zor olmayan işlemlerden biridir. Ayrıca Moore Yasası bilgisayarlarımızın işlem gücünü sürekli olarak artırır. Daha da önemlisi, matematikçiler sürekli olarak şifre anahtarını daha kolay çarpanlara ayırmaya izin veren yeni algoritmalar geliştiriyorlar.

Kuantum kriptografisi tüm bu sorunları önleyebilmektedir. Burada anahtar, gizli bilgileri paylaşmaya çalışan iki taraf arasında geçen bir dizi fotonla şifrelenir. Heisenberg Belirsizlik İlkesi, bir yabancının bu fotonları değiştirmeden veya yok etmeden bakamayacağını ifade eder.

Bu arada, 8 Haziran 2021 tarihli bir habere göre kuantum haberleşmesinde rekor uzaklığa erişilmiş.

Toshiba Avrupa’nın Cambridge Araştırma Laboratuvarı 600 km aşan mesafede fiber optik üzerinden kuantum haberleşmesinin bir sunumunu yaptığını anons etmiş. Bu deney, metropol alanlar arasında uzun mesafeli kuantum güvenli bilgi aktarımını mümkün kılacak ve gelecekteki kuantum interneti inşa etme yolunda büyük bir ilerleme sağlayacak.

Kuantum internet terimi, uzun mesafeli kuantum iletişim bağlantılarıyla birbirine bağlanan küresel bir kuantum bilgisayar şebekesini tanımlar. Kuantum internetin buluttaki karmaşık optimizasyon sorunlarının ultra hızlı çözümüne, daha doğru bir küresel zamanlama sistemine ve dünya genelinde son derece güvenli iletişimlere olanak sağlaması beklenmekte.

Toshiba’nın yaptığı bu sunum, geçen yıl BT ve Toshiba'nın İngiltere'nin ilk endüstriyel kuantum güvenlikli şebekesini kurduğu duyurusunu takip ediyor. Ulusal Kompozit Merkezi ile Modelleme ve Simülasyon Merkezi arasında veri ileten bir uygun çoklama sistemi, böylece verilerin ve kuantum anahtarlarının aynı fiber üzerinde iletilmesine imkan sağlayarak, anahtar dağıtımı için maliyetli ve özel altyapı ihtiyacını da ortadan kaldırmıştır.

Kısa mesafeler için mevcut altyapıyı kullanarak çoklanmış QKD’nin (kuantum anahtar dağıtımı), daha uzak mesafeler için ikiz-alan QKD yanı sıra anahtar ve verinin aynı hattan birleşik gelmesi, ticari olarak uygulanabilir bir küresel kuantum güvenlikli şebekenin yolunu açacaktır.

QKD, kullanıcıların güvenilir olmayan bir iletişim kanalı (internet gibi) üzerinden gizli bilgileri (banka hesap özetleri, sağlık kayıtları, özel aramalar gibi) güvenli bir şekilde değiş tokuş etmesine olanak tanır. Bunu, hedeflenen kullanıcılara, iletişim kanalı üzerinden gönderilen bilgileri şifreleyerek korumak için kullanılabilecek ortak bir gizli anahtar dağıtarak yapar.

Gizli anahtarın güvenliği, anahtar üretimi için kodlanan ve iletilen bireysel kuantum sistemlerinin (fotonlar, ışık parçacıkları) temel özelliklerine dayanır. Bu fotonların yetkisiz bir kullanıcı tarafından ele geçirilmesi durumunda kuantum fiziği, hedeflenen kullanıcıların dinlemeyi algılamasını ve dolayısıyla iletişimi korumasını garanti eder

Mevcut diğer güvenlik çözümlerinden farklı olarak, kuantum kriptografisinin güvenliği, çevremizdeki dünyayı tanımlamak için kullandığımız fizik yasalarından doğrudan türetilir ve bu nedenle de matematik ve bilgisayarların gelecekte her türlü gelişmelerine (kuantum bilgisayarların ortaya çıkışı dahil) karşı güvenlidir. Bu bağlamda, QKD'nin şirketler ve hükümetler için operasyonel açıdan kritik iletişimleri korumak için önemli bir araç haline gelmesi beklenmektedir.

Kuantum hesaplama bir klasik bilgisayarın hızından yüz milyon kat daha fazla işlem gücünü mümkün kılar. Basit bir ifadeyle, bir kuantum bilgisayarı bir probleme karşı olası her türlü cevabı aynı anda işleme kabiliyetine sahiptir. Bunun nasıl olduğu çok karmaşık bir konudur ve kuantum bilgisayarları, kuantum fiziğinin tuhaf ve büyük ölçüde hala oldukça gizemli davranışlarından yararlanır.

Bir kuantum internet üzerinden birbirine bağlanan birden fazla kuantum cihazının veya düğümün işlem gücünü hayal edin. Uzmanlar, küresel bir kuantum bilgisayar şebekesinin, iklim değişikliğini geri çevirmek, hastalıkları iyileştirmek ve dünyadaki açlığı çözmek gibi en zorlu sorularımızdan bazılarına teorik olarak yanıt sağlayabileceğini tahmin ediyor. Ancak en önemli öncelikli konu bilgi güvenliğidir.

Klasik bilgisayarlar, çoğu verinin birden çok kopyasını tutmaya ve karşılaştırmaya dayanan hata düzeltme tekniklerine sahiptir. Ama kopyaları kuantum dünyasında tutamayız. Güvenlik açısından bu durum harika, ancak işler ters gittiğinde kötü. Peki hataları nasıl gidereceğiz?

İmalatta üretimi optimize etmekten hastane yataklarının tahsisine, akıllı binaların kapı giriş sistemlerini çalıştırmaya kadar, artık internet bir iletişim şebekesi olmaktan çıkıp, giderek artan sayıda birbirine bağlı cihazı yöneten gelişmiş bir kontrol sistemine dönüştü. Günümüzde, elektrik ve trafik şebekeleri, hastaneler gibi kritik ulusal altyapılar, büyük ölçüde internete bağlıdır. Ancak, internetin mimarisi ve altyapısı artık gıcırdıyor ve acilen güncellenmesi gerekiyor. Kuantum teknolojilerinin hızla ilerlemesiyle birlikte şu soru ortaya çıkıyor: Kuantum şebekeleri, bu kadar bağımlı olduğumuz interneti nasıl değiştirecek?

İnternetin, iletişim yerine karmaşık bir komuta ve kontrol sisteminde kullanılması, bizlere çok daha büyük fırsatlar sunuyor, örneğin şehirlerde su dağıtımı daha verimli bir şekilde yönetilebilir ve şehir içi ulaşım yolları optimize edilerek karbon emisyonları azaltılabilir. Her zamankinden daha sofistike akıllı teknolojilerin hızla gelişmesiyle büyüyen Nesnelerin İnterneti (IoT), yalnızca büyük ölçekli altyapılar için değil, aynı zamanda günlük yaşamda da son derece farklılaştırılmış ve dağınık şebeke kontrolü sağlar; evlerde termostatları uzaktan kontrol eden akıllı telefon uygulamaları veya kendi kendine azalan yiyecekleri yeniden sipariş eden akıllı buzdolabı gibi. Yine de artık her yerde bulunan internet, gizlilik, düzenleyici kontrolü ve demokratik gözetim açısından önemli riskleri ve zorlukları birlikte getiriyor. IoT, hayatı iyileştiren ama aynı zamanda kişisel güvenlik ve emniyeti tehlikeye atabilecek şekillerde gerçek dünyamıza sızmakta.

Bildiğimiz İnternet Demode Oluyor

Üzerinde en önemli uygulama katmanı olarak World Wide Web'in bulunduğu şebekelerin şebekesi olan internet, onlarca yıllık eski teknolojiyle çalışmakta olup maalesef akıllı şebekeleri, akıllı telefonları ve akıllı siber korsanları barındırmak için inşa edilmemiştir. Akıllı cihazlar ve otonom sistemlerinin bir sonraki dalgasına interneti hazır hale getirmek için, internetin fiziksel altyapısını, standartlarını ve protokollerini acilen güncellememiz gerekmektedir. Tarihsel olarak, interneti yöneten mekanizmaların çoğu, ağırlıklı olarak çok paydaşlı müzakerelerde ortaya çıkan şeffaf, paylaşılan protokollere ve prosedürlere dayanmaktadır. Bunlar genellikle hükümetler, şirketler, sivil toplum kuruluşları ve araştırmacılar dahil olmak üzere toplumdaki çeşitli grupların temsilcilerinden oluşmaktadır.

Ancak Nesnelerin İnterneti için kurulacak geleceğin internetinin mimarisi ve dizaynında büyük bir olasılıkla hükümetler çok daha fazla söz sahibi olacaklar gibi gözüküyor. Bu konuda çalışan ülkelerdeki hükümetlerin, demokratik gözetim ve şeffaflık yerine internetin işleyiş biçimleri üzerinde etkilerini daha da artırmak için internet yönetişiminde altyapıya döndüğüne şahit olmaktayız.

Kuantum Yarışı

Yeni kuantum teknolojilerinin ortaya çıkışı, devlet kontrolüne yönelik bu baskıyı artırmaktadır. Çin ve ABD gibi önemli oyuncular, halen gelecekteki kuantum internetin rakip versiyonlarını oluşturmak için rekabet içindeler. Bazı yorumcular bu iki süper güç arasında yeni bir kuantum silahlanma yarışından bahsetmeye başladılar. Gerçekten de, her iki ülke süper-güvenli kuantum haberleşme kanalları üzerinden kuantum bilgisayarlarını bağlayacak olan yeni bir internet için bileşen parçalarını geliştirmede oldukça önemli ilerlemeler sağlamış durumda.

ABD’de Alphabet (Google'ın ana şirketi), IBM ve Microsoft gibi özel sektör devleri de karmaşık kuantum programları yürütüyor. Şubat 2019'da IBM, ilk "bağımsız" kuantum bilgisayar olan IBM Q System One'ı sundu. Bu bilgisayarın bir satınalma bedeli söz konusu değildir, bunun daha çok IBM'in bu alandaki teknoloji liderliği iddiasının bir sembolü olarak düşünülmelidir.

Haberleşmenin geleceği için kuantum ne anlama geliyor?

Kuantum bilgisayarlar, günümüzde mevcut olan herhangi bir sayısal bilgisayardan çok daha fazla işlem gerçekleştirmesini oluşturmak için süperpozisyon ve dolaşıklık gibi kuantum fenomenlerinden yararlanır. Bu fenomen, onları, işlem gücü yalnızca bit sayısı ile doğrusal olarak büyüyen geleneksel bilgisayarlardan kat be kat daha hızlı hale getirecektir. Bu hızlanma, kuantum makinelerinin, en gelişmiş süper bilgisayarlarımız için bile zorlu olan çok daha karmaşık sorunları, özellikle de sayı kırma (şifreleme için önemli olan) alanlarında, moleküllerin davranışını simüle etme ve karmaşık optimizasyon sorunlarına çözümler bulma konusunda pek çok olanak sağlayacaktır.

Bir kuantum bilgisayarı ile birleşik, kuantum haberleşme kanalları geleceğin kuantum internetinin ana omurgasını oluşturacaktır. Kuantum internet sayısal eski altyapı ile kuantum makinalarını bağlayan hibrid bir şebekedir. Kavramsal olarak, bir kuantum internet süper güvenli iletişim ve prensipte heklenmeyen bulut uygulamaları sağlar. Bu yapı, otonom sistemlere ve IoT uygulamalarına ölçek ve verimlilik açısından önemli bir artış sağladığı yaygın olarak kabul edilen seviyede kuantum kaynakları sağlar.

Hükümetlerin ve güvenlik hizmetlerinin gizli verileri ve çok önem arzeden istihbaratı, onlarca yıl boyunca güvenli bir şekilde saklanmalıdır. Bu nedenle, kuantum makineleri önümüzdeki on yıl içinde yavaş yavaş kullanılabilir hale gelecektir. Hükümetlerin, ellerinde güçlü bir kuantum bilgisayarı olan devlet ve devlet dışı aktörlerin saldırılarına karşı mevcut geleneksel sistemlerini en iyi şekilde nasıl güvence altına alacaklarını en kısa sürede çözmeleri gerekecek.

Kuantum donanım bileşenleri ve onları bir arada tutan mimarinin, tam olarak geniş potansiyeli ve güvenliğe duyarlı yapıları nedeniyle, açık internet ilkeleri üzerinde aşağı yönlü baskı uygulama olasılığı yüksektir. Örneğin, Avrupa Birliğinin ilgili yönetmeliğinde, 'internet trafiğinin ayrımcılık, engelleme, kısıtlama veya önceliklendirme olmaksızın sağlanmasının gerekli olduğunu belirtmektedir. Güvenlik hizmetlerinin, bugün gördüğümüzden çok daha karmaşık ve etkin dezenformasyon kampanyalarına ve karmaşık kuantum saldırılarına karşı koyamayan son derece kritik altyapı ve sistemlere sızma fırsatlarının artmasına imkan veren kuantum yeteneklerine karşı mücadele etmekle meşgul olması nedeniyle bu ilkelerin sürdürülmesi güç gibi gözükmekte.

Sayısal Ayrışmanın (uçurumun) Genişlemesi

Erken aşamalarda, Ar-Ge'ye yapılan büyük yatırımlar ve kuantum cihazlarının satın alma maliyetleri nedeniyle, bu yeni teknoloji muhtemelen yalnızca hükümetler ve büyük araştırma tesisleri için kullanılabilecektir. Kuantum teknolojilerine erişim sağlayan kötü aktörlerle ilişkili riskler göz önüne alındığında, yasa koyucular ve düzenleyiciler, bu yeni teknolojiyi genel kamuoyuna nasıl, ne zaman ve nasıl tanıtmaları gerektiğini çözmek için önemli bir ikilemle karşı karşıyalar. Kuantum teknolojilerinin aşamalı bir şekilde yayılması, özellikle internete yüksek hızda erişimin önemli bir prim oluşturması açısından devletler arasında internet ayrışımına neden olabilecektir.

Kuantum devriminin bir düzenleyici boşluğu yaratması konusunda gerçek bir risk var. İnternet yönetimindeki paydaşlar, maksimum kuantum gücünü zorlamak isteyecek olan güvenlik hizmetleri ve askeri stratejistlere arayı kapatmak için daha fazla çalışma zorunluluğu getirebilecektir. Kuantum teknolojilerinin vaatleri, hükümetler için siber savaşta gelişimlerine ve uygulamalarına sağlam kısıtlamalar getirme veya bunların uygulanması üzerinde demokratik kontrol dayatma konusunda çok cazip gelebilir. Açık, adil ve şeffaf internet savunucuları için kuantum teknolojilerinin gelişi gerçekten bir dizi karmaşık ve çözümü zor sorunlar yaratacak gibi gözükmekte.